气体分离膜讲解

1、气体膜分离,?,分离机理,?,材料,膜分离与其他分离过程相比的优点：,?,节能,?,投资少,?,易于安装、易于移动（撬装体）,?,操作简单,?,重量轻、占地少,?,不需加入其他组分，无污染,?,操作易于调节（无液泛、漏液、夹带等）,在以下几个方面已经有了大规模的应用：,?,氢气的分离和回收,?,空气分离,?,酸性气体分离,?,气体脱湿,?,有机蒸汽回收,?,气体透过多孔膜与非多孔膜的机理是不,同的。多孔膜是利用不同气体通过膜孔,的速率差进行分离的，其分离性能与气,体的种类、膜孔径等有关。,?,气体通过,多孔膜,的传递机理可分为分子,流、粘性流、表面扩散流、分子筛筛分,机理、毛细管凝聚机理等。,

2、?,气体通过,非多孔膜,按传递机理可分,溶解,扩散,和双吸收,双迁移机理等。,气,体,分,离,膜,的,原,理,:,微孔扩散机理,?,多孔介质中气体传递机理包括分子扩散,、粘性流动、,努森扩散及表面扩散等。由于,多孔介质孔径及内孔,表面性质的差异,使得气体分子与多孔介质之间的相,互作用程度有所不同，从而表现出不同的传递特征,。,混合气体通过多孔膜的传递过程应以分子流为主,，,其分离过程应尽可能满足下述条件,：,(1),多孔膜的微,孔孔径必须小于混合气体中各组分的平均自由程。,(2),混合气体的温度应足够高，压力尽可能低，高温、,低压都可提高气体分子的平均自由程，同时还可避,免表面流动和吸附现象发

3、生,。,溶解,一扩散,机,理,?,气体通过非多孔膜的传递过程一般用溶解,一扩散机,理来解释,，气体透过膜的过程可分为三步,：,(1),气,体在膜的上游侧表面吸附溶解,，是,吸附,过程,；,(2),吸附溶解在膜上游侧表面的气体在浓度差的推动下,扩散透过膜,，是,扩散,过,程,；,(3),膜下游侧表面的气,体解吸,，是,解吸,过程。,一,般来说,，气体在膜表面,的吸着和解吸过程都能较快地达到平衡,，而气体,在膜内的渗透扩散过程较慢,，是气体透过膜的速,率控制步骤,。,对流,努森扩散,筛分,（表面扩散）,溶解,扩散,气体透过多孔膜和无孔膜的机理,气体渗透系数：,气体分离系数：,气体分离膜的主要特性参

4、数,?,渗透系数,（,P,）,表示气体通过膜的难易程度，是,体现膜性能的重要指标。它因气体的种类、膜材料,的化学组成和分子结构的不同而异。当同一种气体,透过不同的气体分离膜时，,P,主要取决于气体在膜,中的扩散系数；而同一种膜对不同气体进行透过时，,P,的大小主要取决于气体对膜的溶解系数。,?,扩散系数,（,D,）,用渗透气体在单位时间内透过膜,的气体体积来表示。它随气体分子量的增大而减小。,?,分离系数,（,）,它标致膜的分离选择性能。,?,溶解度系数,(S),表示膜收拢气体能力的大小。它,与被溶解的气体及高分子种类有关。,气体分离膜的材料,理想的气体分离膜材料应该考虑以下因素：,?,气体通

5、透性和气体分离系数。,?,力学性能。,?,玻璃转化温度和熔化温度。,?,膜的临界压力。,?,膜的可用性和加工性能。,?,经济性。,气体分离膜材料可分：,?,高分子材料,?,无机材料,?,有机一无机杂化材料,。,?,金属材料,高分子聚合物气体分离膜材料包括,?,聚砜类,?,硅橡胶,?,醋酸纤维素,?,聚碳酸酯,?,聚酰亚胺,聚酰亚胺,( PI),是一类环链化合物,最早是,Bogert,和,Renshaw,在,1906,年合成的,.,根据聚酰,亚胺的结构和制备方法可分成两大类,: ( 1),主链中,含有脂肪链的聚酰亚胺,; ( 2),主链中含有芳族的聚,酰亚胺,.,其通式为,:,对于脂族聚酰亚胺,

6、 R= ( CH 2 ) m ,对于芳族聚酰亚胺, R= Ar .,80,年代中期,日本宇部兴产公司,开发了联苯,型共聚酰亚胺气体膜分离器,已成功地用于氢,回收、气体除湿和乙醇气相脱水等工业过程,稍后,美国杜邦公司,又开发了用于空气富氮的,含氟聚酰亚胺气体膜分离器。,聚酰亚胺,(PI),因其稳定的化学结构,优良,的机械性能和高的自由体积,使其在分离气体,混合物时能在具有较高渗透通量的同时还保,持较高的选择性,所以广泛地应用于气体分离,膜的制备。,但同时聚酰亚胺又存在易塑化，气体的渗,透性和分离性难以平衡，易老化使用寿命较短,等缺点,聚酰亚胺基气体分离膜的改性方法,?,分子结构改造方法,(,合成

7、改性,),?,交联改性方法,?,共混改性方法,?,其它改性方法,分子结构改造方法,(,合成改性,),?,聚酰亚胺是由芳香族或脂肪环族四酸二酐和,二元胺缩聚得到的芳香环或者脂肪环高聚物,.,二酐和二胺的化学结构是影响其透气性的主,要因素,通过改变二胺或二酐的化学结构可获,得高性能的聚酰亚胺气体分离膜材料,?,如在二酐中引入含氟基团,(,CF 3 ),后,聚酰,亚胺不仅溶解性有所改善,而且其透气性也显,著增加,交联改性方法,?,聚酰亚胺交联形成网络后,链段活动性减小,透气性下降,气体选择性提高,.,有时交联在减,小链段活动性的同时,也可能增大自由体积,导致透气性和气体选择性同时升高,紫外,( UV

8、),辐射交联改性,化学交联改性,共混改性方法,?,聚酰亚胺,/,无机纳米粒子共混改性,?,聚酰亚胺,/,过渡金属有机络合物共混改性,?,聚酰亚胺,/,聚合物共混改性,?,共聚改性,其它改性方法,?,共聚改性,?,离子束改性,参考文献,?,李悦生,丁孟贤,徐纪平,.,聚酰亚胺气体分离膜材料的结构与性能,J.,高分子通,报,1998,3:1-8,?,祁喜旺,陈翠仙,蒋维钧,.,聚酰亚胺气体分离膜,J.,膜科学与技术,1996,16(2):1-7.,?,黄,旭,邵路,孟令辉,黄玉东,.,聚酰亚胺基气体分离膜的改性方法及其最新进展,J.,膜,科学与技术,200929(1):101-108.,?,曹,明

9、,.,气体膜分离技术及应用,J.,广州化工,2011,17(39):30-32.,?,张菀,乔,张雷,廖礼,战役,.,气体膜分离技术的应用,J.,天津化工,2008,3(22):20-22.,?,凌长杰,气体膜分离,J.,化学工业,2012,1:199.,?,Tomoyuki Suzuki, Masako Miki, Yasuharu Yamada.Gas transport properties of,hyperbranched polyimide/hydroxy polyimideblend membranes. European,Polymer Journal , 2012 (48) 1504,1512.,?,Rong Wang,Chun Cao,Tai-Shung Chung. A critical review on diffusivi